CN101694583A - 基于多变量解耦imc技术的磨矿过程运行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多变量解耦IMC技术的磨矿过程运行控制方法，属于自动控制技术领域，它包括底层回路控制系统，通过网络与上位机通信，在上位机中嵌入上层回路设定系统，回路设定系统包括回路设定控制器、磨矿过程运行指标模型以及切换机制，用于对回路设定值进行调整和修正，实现期望的工艺指标。本发明采用分层策略，其中上层回路设定系统，采用解耦IMC方法，对多变量、强耦合对象有良好的高维解耦能力，对系统广泛存在的多时滞特性具有很好的补偿作用，另外该控制系统响应速度快、鲁棒稳定性好、抗干扰能力及容错能力强，指标因为过程干扰而发生动态偏移时能对回路设定值进行及时调整和修正，另外还设置有滤波器，能对系统鲁棒性能进行显示设计。

Description

基于多变量解耦IMC技术的磨矿过程运行控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种基于多变量解耦IMC技术的磨矿过程运行控制方法。

背景技术

就选矿领域而言，由球磨机和水力旋流器等分级设备构成的湿式磨矿回路广泛用于将原矿石研磨至工艺要求的粒度范围，使其与脉石单体解离，以利于后续选别作业对有用矿物进行有效提取。磨矿过程是整个选矿生产中最关键的环节，起着承上启下的作用：首先表征磨矿产品质量的磨矿粒度的好坏决定着整个选矿产品的选矿品位和金属回收率指标。另外，表征磨矿过程运行效率的磨机返砂量的大小又决定着整个磨矿作业的处理能力，从而直接关系到选矿生产的处理能力。因此，改善磨矿运行，对磨矿过程的磨矿粒度、磨机返砂量等工艺指标进行自动控制具有重要意义，它是整个选矿过程实现厂级自动化的关键。

目前，现有磨矿过程控制理论和控制系统设计方法的研究集中在实现常规过程变量定值跟踪控制的基础回路控制上，现有的磨矿过程控制理论和控制系统设计方法的研究集中在保证闭环控制回路稳定的条件下，使被控变量尽可能地跟踪控制系统的设定值。但是，从选矿工程的角度看，磨矿控制的作用不仅仅是使控制系统输出很好地跟踪动态设定点的变化，更应该控制整个运行的磨矿过程，使反映磨矿过程整体运行性能的磨矿粒度和磨机返砂量等工艺指标控制在满足工艺生产需求的目标范围内。但目前磨矿过程运行的控制仅涉及常规底层基础回路控制的反馈控制，并未涉及到上层过程运行工艺指标的反馈控制，难以实现期望要求的磨矿工艺指标控制。

已有的实现磨矿过程工业指标的运行控制方法主要有基于神经网络(ANN)、模糊推理(Fuzzy Inference)、案例推理(CBR)及专家系统(ES)等智能方法以及基于经验数学模型的方法(Zhou，P.，Ding，J.L.，Chai T.Y.，et al，An intelligent approach for supervisory control of grindingproduct particle size，The 46^th IEEE Conference on Decision and Control，2007：1856-1861；周平，岳恒，郑秀萍，柴天佑，磨矿过程的多变量模糊监督控制，控制与决策，2008，23，6，pp.685-688；赵大勇，岳恒，周平，柴天佑，基于智能优化控制的磨矿过程综合自动化系统，山东大学学报(工学版)，2005，35，3，pp.119-124；基于案例推理的磨矿系统智能优化设定方法，发明专利，专利号：ZL 200410050750.6)。由于这些方法与具体磨矿过程而异，只能针对单个磨矿工艺指标进行控制，并且理论性较弱，因而减少了其参考使用价值。

发明内容

针对现有磨矿过程运行控制方法的不足，采用分层控制策略，设计能获得良好解耦能力和较好鲁棒稳定性和干扰抑制能力的上层回路设定系统，提出了一种基于多变量解耦IMC技术的磨矿过程运行控制方法。

为方便描述，对其中使用的符号和术语定义如下：

IMC——内模控制，英文为internal model control；

R——磨矿过程工艺指标；

R^*——磨矿过程工艺指标期望(设定)值；

——磨矿过程工艺指标的估计值；

r₁——磨矿粒度，(％，-200mu)；

r₂——磨机返砂量，t/h；

Δ_R——磨矿工艺指标R的允许偏差限值；

——指标r_i的允许偏差限值；

Y——影响R的关键过程变量；

Y^*——关键过程变量的设定值；

y₁——磨机新给矿量，t/h；

y₂——泵池加水量，t/h；

y₁ ^*——磨机新给矿量设定值，t/h；

y₂ ^*——泵池加水量设定值，t/h；

U——回路控制系统的主要控制(操作)变量；

u₁——给矿机变频器频率，Hz；

u₂——泵池加水阀门开度，％；

v₁——磨机加水阀门开度，％；

v₂——底流泵变频器频率，Hz；

γ₁——磨机加水量，t/h；

γ₂——泵池液位，m；

r₁ ^*——磨矿粒度期望(设定)值；

r₂ ^*——磨矿返砂量期望(设定)值；

G_Y——电振给矿及机、电动阀门等被控设备；

G——被控磨矿过程；

——磨矿过程模型；

K_S——回路设定控制器；

K_Y——回路控制器；

K——广义内模控制器；

D——磨矿过程干扰；

S——边界约束条件；

WT——称重仪；

FT——流量计；

ST——粒度计；

LT——液位计；

本发明采用分层控制策略，磨矿运行控制系统由底层回路控制系统和上层回路设定系统构成，具体步骤如下：

一种基于多变量解耦IMC技术的磨矿过程运行控制方法，其特征在于首先在该磨矿底层回路控制系统的基础上设置上层回路设定系统，其控制过程是：

步骤1：确定磨矿过程整体运行性能工艺指标R＝{r₁，…，r_m}，包括磨矿粒度和磨机返砂量；

步骤2：确定磨矿过程工艺指标R的过程变量Y＝{y₁，…，y_m}，包括磨机新给矿量、泵池加水量；

步骤3：利用步骤2的结果，确定单输入单输出回路控制策略和操作变量U＝{u₁，…，u_m}，所述的U包括电振给料机频率、泵池加水阀门开度；

步骤4：确定磨矿工艺指标的期望

和该期望目标区间(R^*-Δ_R，R^*+Δ_R)以及边界约束条件S；

步骤5：利用测量系统测量出磨矿工艺指标R的实际值，过程变量Y的实际值，通过下位机PLC系统及通信网络将信息传送到上位机回路设定系统；其中，测量系统是指磨矿工艺指标和关键过程变量测量仪，包括粒度计、称重仪、流量计和液位计；

步骤6：利用回路设定控制器确定底层回路控制器设定值

步骤7：利用通信网络将步骤6的结果传送到下位机PLC系统；

步骤8：底层回路控制器产生相应的控制动作U＝{u₁，…，u_m}；

步骤9：执行机构执行底层回路控制器发出的控制指令，磨矿运行系统快速变化到指定的工况下，获得期望的磨矿工艺指标，其中，执行机构是指用于调节Y的器件，包括电振给料机变频器和电动调节阀门。

其中，步骤6所述的回路控制器确定底层回路控制器设定值Y^*的具体步骤如下：

步骤6-1：将回路设定控制器K_S转化为离散形式；

步骤6-2：数据读取、输入与处理；

步骤6-3：求ΔR＝(R^*-R)；

步骤6-4：判断是否满足ΔR≤Δ_R(即判断磨矿工艺指标R是否目标区间内)，如果满足，则执行步骤6-5，否则执行步骤6-6；

步骤6-5：保留原回路控制器设定值Y^*不变，执行步骤6-14；

步骤6-6：由运行指标模型根据Y求R的估计值

步骤6-7：计算

的值；

步骤6-8：求R^*的变化量ΔR^*；

步骤6-9：求

的值；

步骤6-10：根据

求Y^*；

步骤6-11：判断Y^*是否满足s的约束条件，如满足则执行步骤6-13，否则执行步骤6-12；

步骤6-12：卡边约束处理；

步骤6-13：将Y^*传送给底层回路控制器；

步骤6-14：结束。

有益效果：本发明采用分层策略，其中上层回路设定系统，采用解耦IMC算法，能对多变量、强耦合对象有良好的高维解耦能力，对系统广泛存在的多时滞特性具有很好的补偿作用，另外该控制系统响应速度快、鲁棒稳定性好、抗干扰能力及容错能力强，指标因为过程干扰而发生动态偏移时能对回路设定值进行及时调整和修正，另外还设置有滤波器，能对系统鲁棒性能进行显示设计。

附图说明

图1、为磨矿过程运行的分层控制策略框图；

图2、为本发明基于解耦IMC技术的磨矿过程运行控制策略框图；

图3、为本发明磨矿过程运行控制的扩展解耦IMC设计结构框图；

图4、为本发明上层回路设定控制器流程图；

图5、为本发明系统流程图；

图6、为本发明磨矿系统结构图；

图6中：1矿仓，2电振给矿机，3输送皮带，4球磨机，5电动阀门，6泵池，7底流泵，8旋流器，9PLC系统，10上位机系统(回路设定软件)；

图7、为本发明磨矿系统运行控制效果图；

图7中：(a)表示磨矿粒度的运行控制曲线，(b)表示磨机返砂量的运行控制曲线，(c)表示新给矿量回路设定值变化曲线，(d)表示泵池加水量回路设定值变化曲线，(e)表示实际新给矿量运行曲线，(f)表示实际泵池加水量运行曲线；

图8、为本发明切换机制的切换序列图；

图8中：P(R)＝1，表示磨矿运行指标为优，保留原回路设定值不变；P(R)＝0表示磨矿运行指标不合格，此时对回路设定值进行调节。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为磨矿过程运行的分层控制策略框图，本发明在磨矿过程底层回路控制系统的基础上设置上层回路设定系统。

图2所示的磨矿过程运行控制系统具有常规IMC结构的三要素：即被控对象、对象模型及内模控制器，其中对象模型是指磨矿运行指标模型，即磨矿工艺指标R与过程变量Y之间动态关系，图2中的内模控制器包括底层回路控制系统和上层回路设定系统，称为广义内模控制器；

磨矿过程运行指标模型用于预测磨矿过程底层控制回路的输出Y对磨矿工艺指标R的影响，即实现式(1)的动态关系：

R＝f(Y，D)                              (1)

式中，f(·)为未知动态函数，随磨矿过程干扰D的变化而变化。

广义内模控制器用于逼近磨矿过程运行指标模型的动态逆，即实现如下动态关系：

Y＝f^-1(R^*，D)                           (2)

分两步完成：首先是磨矿工艺指标期望值R^*到回路控制系统各个回路设定值Y^*的实现，即R^*→Y^*，由回路设定控制器通过实现式(3)的动态映射关系来完成：

Y^*＝g(R^*，D)                            (3)

式中，g(·)为未知动态函数，随扰D的变化而变化。其次是Y^*→Y，由广义内模控制器的底层控制系统通过对Y^*的定值跟踪完成。

结合图3和流程图4对本发明回路设定系统算法作具体说明，过程如下：

1)回路设定控制器的设计：

采用响应测试法确定G_Y，如下所示：

$G_Y=\mathrm{diag}\{g_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{c,\mathrm{ll}}s},\·\·\·,g_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{c,\mathrm{ii}}s},\·\·\·,g_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{c,\mathrm{mm}}s}\}---\left(4\right)$

式中，G_Y表示Y与U之间动态关系的传递函数模型，diag{·}表示对角矩阵，g_y，ii(s)为无时滞有理传函数模型，

表示时间常数为τ_c，ii的时滞因子。

根据G_Y设计单输入单输出PID控制器K_Y，表示如下：

K_Y＝diag{k_y，ii(s)，…，k_y，ii(s)，…，k_y，mm(s)}        (5)

确定磨矿过程底层回路控制系统K_C的传递函数矩阵，如下所示：

K_C＝G_YK_Y(I+G_YK_Y)^-1＝diag{k_c，11(s)，…，k_c，ii(s)，…，k_c，mm(s)}    (6)

其中，k_c，ii(s)具有如下的通式：

$k_{c,\mathrm{ii}}=\frac{k_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)n_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{c,\mathrm{ii}}s}}{d_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)+k_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)n_{y,\mathrm{ii}}\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{c,\mathrm{ii}}s}}---\left(7\right)$

式中，k_c，ii(s)的时滞为τ(k_c，ii)＝τ_c，ii，表示函数

的时滞，以下同。

设G、

分别表示图3扩展解耦IMC系统的磨矿运行过程及磨矿运行指标模型的传递函数式。实际磨矿过程控制中，G及

通常建模成多变量、多时滞m阶方阵形式，如下所示：

式中：

及g_0，ij(s)＝n_0，ij(s)/d_0，ij(s)为稳定正则的有理传递函数式，τ_ij≥0。

确定回路设定控制器K_S的传递函数矩阵，公式如下：

确定广义内模控制器K，公式如下：

确定扩展解耦IMC系统的闭环传递函数矩阵H，公式如下：

$H=\mathrm{GK}{[I+(G-\tilde{G})K]}^{-1}---\left(11\right)$

当

时，

H＝G_K＝GK_CK_S                        (12)

确定K_S值，公式如下：

K_S＝K_C ^-1G^-1H                        (13)

确定K_S的每列控制器，公式如下：

$k_{s,\mathrm{ij}}=\frac{1}{k_{c,\mathrm{ii}}}\·\frac{G^{\mathrm{ji}}}{\left|G\right|}\·h_{\mathrm{jj}}---\left(14\right)$

式中，G^ji是G中g_ji(s)对应的代数余子式。

其中，K_S要满足时滞要求，必须满足τ(k_s，ij)≥0，公式如下：

$\mathrm{\τ}\left(h_{\mathrm{ii}}\right)\≥\mathrm{\τ}\left(\right|G\left|\right)+\underset{j\∈m}{\max }\mathrm{\τ}\left(k_{c,\mathrm{jj}}\right)-\underset{j\∈m}{\min }\mathrm{\τ}\left(G^{\mathrm{ij}}\right)---\left(15\right)$

K_S要满足零极点要求，必须满足

公式如下：

${\mathrm{\η}}_z\left(h_{\mathrm{ii}}\right)\≥{\mathrm{\η}}_z\left(\right|G\left|\right)+\underset{j\∈m}{\max }{\mathrm{\η}}_z\left(k_{c,\mathrm{jj}}\right)-\underset{j\∈m}{\min }{\mathrm{\η}}_z\left(G^{\mathrm{ij}}\right),z\∈Z_{k_{c,\mathrm{ii}}\left|G\right|}^{+}---\left(16\right)$

式中，

是使

存在且不为零的整数v，

表示闭右半复平面，

是函数的不稳定零点集合。

为了获得稳定可实现的回路设定控制器K_S，本发明给出如下期望实现的磨矿过程对角化闭环系统传递函数矩阵H：

H＝diag{h₁₁(s)，…，h_ii(s)，…，h_mm(s)}                (17)

其中h_ii(s)具有如下形式

$h_{\mathrm{ii}}\left(s\right)=\frac{e^{-\mathrm{\τ}\left(h_{\mathrm{ii}}\right)s}}{{({\mathrm{\α}}_{i}s+1)}^{N\left(h_{\mathrm{ii}}\right)}}\underset{z\∈Z_{k_{c,\mathrm{ii}}\left|G\right|}^{+}}{\mathrm{\Π}}{\left(\frac{z-s}{z^{*}+s}\right)}^{{\mathrm{\η}}_z\left(h_{\mathrm{ii}}\right)}---\left(18\right)$

式中：z^*表示z的共轭，

为滤波器。其中滤波器的作用有2个：其一是通过选取适当的正整数N(h_ii)使得设计的K_S的每一个元素是正则的；其二就是通过调节可调滤波器参数α_i使得运行系统的响应性能达到预期的要求。

H中各个元素h_ii(s)给定后，结合式(7)、式(14)和式(18)，可求得回路设定控制器K_S各个元素k_s，ij为：

$k_{s,\mathrm{ij}}=\frac{1}{k_{c,\mathrm{ii}}}\·\frac{G^{\mathrm{ji}}}{\left|G\right|}\·\frac{e^{-\mathrm{\τ}\left(h_{\mathrm{jj}}\right)s}}{{({\mathrm{\α}}_{i}s+1)}^{-N\left(h_{\mathrm{jj}}\right)}}\underset{z\∈Z_{k_{c,\mathrm{ii}}\left|G\right|}^{+}}{\mathrm{\Π}}{\left(\frac{z-s}{z^{*}+s}\right)}^{{\mathrm{\η}}_z\left(h_{\mathrm{jj}}\right)}---\left(19\right)$

上述控制器设计公式(19)中：τ(h_ii)、η_z(h_ii)可按照式(15)，式(16)进行选取，而N(h_ii)可根据为保证K_S的正则性以及需要得到预期性能指标进行选取。另外，式(19)的滤波器参数α_i整顿规则为：调小参数α_i可以加快控制系统的输出响应速度，提高系统的负载干扰抑制能力，但是回路预设定控制器的调节幅度会增大，并且可能有较大的抖动，这在实际中将造成底层控制系统相关执行机构的磨损加大甚至损坏。相反，增大滤波器参数α_i，虽然使得控制系统的输出响应较慢，但回路设定控制器的输出能量较小且光滑平稳，从而有利于提高控制系统的鲁棒稳定性，并且这在实际运行控制中有利于减少底层控制回路执行机构(如调节阀)的磨损和维护控制系统的稳定性。另外，通过增大滤波器参数α_i可消弱过程运行中的测量噪声对被控磨矿运行指标和回路设定值的不利影响。

2)采用频域加权RLS模型降阶算法对G的行列式|G|进行二阶模型近似：

|G|为复杂的高阶多时滞形式，公式如下：

$\left|G\right|=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\Σ}}}\left({\tilde{g}}_j\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{j}s}\right)---\left(20\right)$

式中：

为有理传函模型，μ表示|G|中传递函数个数。由于|G|的各个组成部分含有不同的时滞，这在上述回路设定控制器设计过程中不便于提取时滞和非最小相位零点。因而本发明采用频域加权递推最小二乘(RLS)降阶算法将|G|降阶成如下二阶加纯滞后形式：

式中，θ＝[a₁ a₂ b₀ b₁ b₂]^T为待估计模型参数，L为待辨识时滞。

频域加权RLS进行模型降阶的具体步骤如下：

步骤1：根据实际情况，确定N，L₀，ΔL，从而有L_i＝L₀+(i-1)ΔL，i＝1，…，N，其中，L₀表示初始时滞，L_i表示第i次计算时的时滞，ΔL表示时滞变化步长，N表示计算次数。

步骤2：选取模型降阶的辨识频率区间(ω_min～ω_max)Hz，并将其在对数坐标下M等分，从而有

其中，ω_k表示第k次计算时的频率。

步骤3：对每个L_i，采用下述算法找到

的有理近似解

式中：v_r＝ω_r+1-ω_r(这里ω_r＜ω_r+1)为权值，另外以及

步骤4：对步骤3得到的每一个有理近似解

求并计算近似误差e，公式如下：

步骤5：取产生最小e的解作为|G|的最佳二阶近似模型。

3)切换机制的设计：

本发明为了实现磨矿工艺指标的区间约束控制，在回路设定系统设置了切换机制，其切换律设计为：

$Y^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{Y}^{*}\left(z\right),& P\left(R\right)=0\\ z^{-1}{Y}^{*}\left(z\right),& P\left(R\right)=1\end{array}\right.---\left(24\right)$

式中，Y^*(z)为采样离散化后的回路设定值，

为切换函数，∨为与算子，若

则定义P(r_i)＝1，否则P(r_i)＝0，其中

为指标r_i的允许偏差限值。式(24)的含义就是：若P(R)＝1，认为磨矿运行指标为优，保留原回路设定值不变；若P(R)＝0表示磨矿运行指标不合格，此时应对回路设定值进行调节。

图5为系统流程图；

图6为铁矿选矿生产过程的一个典型湿式磨矿过程。该磨矿回路由格子型球磨机和水利旋流器构成，其具体工艺描述如下：矿仓中的原矿石经电振给矿机下落到输送皮带，并经皮带输送进球磨机进行研磨，同时按比例在球磨机入口加入一定比例的水。经球磨机研磨后的矿浆排入泵池，同时在泵池入口补加一定量的水。泵池内的矿浆由底流泵打入水力旋流器，矿浆在旋流器内部离心力的作用下进行分级，细粒级矿浆形成磨矿产品，并从旋流器溢流口排出进入下道选别工序，粗粒级矿浆由旋流器的沉砂口排出，返回磨机再磨。

采用本发明方法设计的该磨矿过程运行控制系统的整体结构如图6所示，具体实施方式如下所示：

反映图6所示磨矿过程整体运行性能的工艺指标为R＝{r₁，r₂}，其中r₁为磨矿粒度(％，-200mu)，r₂为磨机返砂量(t/h)。影响r₁，r₂关键过程变量为Y＝{y₁，y₂}，其中y₁为磨机新给矿量，y₂为泵池加水量。因此将y₁，y₂作为主控制回路在底层进行基础回路控制，其操作变量分别为电振给矿机频率u₁(Hz)和泵池加水阀位开度u₂(％)。另外，为了防止泵池“打冒”和“打空”，还设有一个通过调节底流泵频率v₂(Hz)来控制泵池液位γ₂(m)的超松弛本地控制回路，以及一个与y₁控制回路构成比值控制的磨机加水量γ₁(t/h)本地控制回路，其操作变量为磨机加水阀位开度v₁(％)。

在磨矿过程运行现场安装如下测量仪表和执行机构，包括：粒度计测量磨矿粒度r₁；两个称重仪称量磨机返砂量r₂和新给矿量y₁；两个流量计测量泵池加水量y₂和磨机加水量γ₁；液位计测量泵池液位γ₂；两个变频器调节电振给料机频率u₁和底流泵电机频率v₂；两个电动调节阀调节泵池加水阀们开度u₂和磨机加水阀门开度v₁。

以PLC实现底层基础控制回路的自动控制。在下位机中，使用PLC中的单回路调节器对组成如下的基础控制回路：通过调节电振给料机频率u₁控制新给矿量y₁的回路；通过调节电动阀门开度u₂控制泵池加水量y₂的回路；通过调节电动阀门开度v₁控制磨机加水量γ₁的回路；通过调节底流泵电机频率v₂来控制泵池液位γ₂的回路。

在上位机中以RSView32提供的VBA应用软件对回路设定系统的相关算法进行软件实现。上位机上装有RSLinx通讯软件负责与PLC进行数据通讯，RSLinx与设计的回路设定系统软件之间通过DDE方式进行双向通讯。回路设定系统的相关实现算法如下：

首先采用本发明方法获得底层回路控制系统K_C的对角闭环传函矩阵为

$K_C=\left[\begin{array}{cc}\frac{{5e}^{-0.2s}}{6s+5e^{-0.2s}}& 0\\ 0& \frac{2}{s+2}\end{array}\right]---\left(25\right)$

然后采用响应测试法建立y₁，y₂到r₁，r₂的传递函数模型G为

$\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\end{array}\right]=G\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cc}\frac{-0.55e^{-5.8s}}{5.8s+1}& \frac{0.025(74s+1)e^{-1.6s}}{(2.3s+1)(5.5s+1)}\\ \frac{2e^{-4.5s}}{6s+1}& \frac{2.6e^{-1.1s}}{5.3s+1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]---\left(26\right)$

将该模型作为回路设定系统的磨矿过程运行指标模型。采用频域加权RLS模型降阶算法将具有高阶多时滞特性的G的行列式|G|

$\left|G\right|=-\frac{1.43e^{-6.9s}}{(5.8s+1)(5.3s+1)}-\frac{0.05\×(74s+1)e^{-6.1s}}{(2.3s+1)(5.5s+1)(6s+1)}---\left(27\right)$

简化为如下二阶加纯时滞形式

然后，采用本发明给出的回路设定控制器K_S设计公式，得到K_S的最终表达式为

$K_S=\frac{(18.9295s^2+9.2147s+1)}{(0.0055s^2+0.0356s+1.48)}\left[\begin{array}{cc}\frac{-0.52(6s+5e^{-0.2s})}{(5.3s+1){(2s+1)}^2}& \frac{0.005(74s+1)(6s+5e^{-0.2s})}{(2.3s+1)(5.5s+1){(2s+1)}^2}\\ \frac{(s+2)e^{-3.6s}}{(6s+1){(2s+1)}^2}& \frac{0.275(s+2)e^{-4.4s}}{(5.8s+1){(2s+1)}^2}\end{array}\right]---\left(29\right)$

为了实现工艺指标R的区间约束控制，为回路设定系统的切换机制设置如下的切换律

$Y^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{Y}^{*}\left(z\right),& P\left(R\right)=0\\ z^{-1}{Y}^{*}\left(z\right),& P\left(R\right)=1\end{array}\right.---\left(30\right)$

为安全起见，y₁ ^*的调节幅度不能超过10t/h，y₂ ^*的调节幅度不能超过10t/h。正常工况下，y₁ ^*的值不能超过(45～75)(t/h)的范围，y₂ ^*的值不能超过(35～65)(t/h)的范围。另外，根据需要，底层回路控制系统的采样频率设为0.1分钟一次，工艺指标的采样频率设为2分钟一次，而回路设定值的刷新频率设为10分钟一次。

图7为设计的基于多变量解耦IMC的磨矿过程运行控制系统一段时间的运行效果，图8为切换机制的切换序列。可以看出，在设定值r₁ ^*，r₂ ^*阶跃变化下，磨矿过程运行控制系统的两路工艺指标输出响应r₁，r₂解耦良好，超调很小。这说明设计的解耦IMC运行控制系统对强耦合过程能够有效解耦，并且磨矿工艺指标r₁，r₂均被控制各自的目标区间内。另外，在800min到1000min之间，由于矿石硬度突然变硬，造成r₁，r₂尖峰突变，但是通过回路设定系统调节回路控制器的设定值，r₁，r₂又很快返回到各自的期望目标区间内。这说明设计的磨矿过程运行控制系统能够快速响应各种系统干扰的影响，通过对回路设定值进行及时调整，而对被控工艺指标进行有效控制，从而实现磨矿过程的优化运行。

虽然上述所举磨矿应用实例为两输入两输出耦合磨矿对象，但对于更为复杂的高维耦合磨矿对象，只要保证用传递函数矩阵表示的被控过程为稳定方阵，即可采用本发明提供的方法实现磨矿过程的优化运行。实际上，本发明提供的方法本身就是针对一般高维耦合磨矿对象而提出的。采用本发明方法设计的磨矿过程运行控制系统可广泛应用于冶金、化工、纺织、建材等其他具有类似多变量、强耦合、多时滞特性的复杂工业过程的运行控制中。

Claims (2)

1.一种基于多变量解耦IMC技术的磨矿过程运行控制方法，它包括底层回路控制系统，通过网络与上位机通信，在上位机中嵌入上层回路设定系统，对回路设定值进行调整和修正，其特征在于：控制方法如下：

步骤1：确定磨矿过程整体运行性能工艺指标R＝{r₁，…，r_m}，包括磨矿粒度和磨机返砂量；

步骤2：确定磨矿过程工艺指标R的过程变量Y＝{y₁，…，y_m}，包括磨机新给矿量、泵池加水量；

步骤3：利用步骤2的结果，确定单输入单输出回路控制策略和操作变量U＝{u₁，…，u_m}，所述的U包括电振给料机频率、泵池加水阀门开度；

步骤4：确定磨矿工艺指标的期望

和该期望目标区间(R^*-Δ_R，R^*+Δ_R)以及边界约束条件S；

步骤5：利用测量系统测量出磨矿工艺指标R的实际值，过程变量Y的实际值，通过下位机PLC系统及通信网络将信息传送到上位机回路设定系统；其中，测量系统是指磨矿工艺指标和关键过程变量测量仪，包括粒度计、称重仪、流量计和液位计；

步骤6：利用回路设定控制器确定底层回路控制器设定值

步骤7：利用通信网络将步骤6的结果传送到下位机PLC系统；

步骤8：底层回路控制器产生相应的控制动作U＝{u₁，…，u_m}；

步骤9：执行机构执行底层回路控制器发出的控制指令，磨矿运行系统快速变化到指定的工况下，获得期望的磨矿工艺指标，其中，执行机构是指用于调节Y的器件，包括电振给料机变频器和电动调节阀门。

2.根据权利要求1所述的一种基于多变量解耦IMC技术的磨矿过程运行控制方法，其特征在于：步骤6所述的回路控制器确定底层回路控制器设定值Y^*的具体步骤如下：

步骤6-1：将回路设定控制器K_S转化为离散形式；

步骤6-2：数据读取、输入与处理；

步骤6-3：求ΔR＝(R^*-R)；

步骤6-4：判断是否满足ΔR≤Δ_R，即判断磨矿工艺指标R是否目标区间内，如果满足，则执行步骤6-5，否则执行步骤6-6；

步骤6-5：保留原回路控制器设定值Y^*不变，执行步骤6-14；

步骤6-6：由运行指标模型根据Y求R的估计值

步骤6-7：计算

的值；

步骤6-8：求R^*的变化量ΔR^*；

步骤6-9：求

的值；

步骤6-10：根据

求Y^*；

步骤6-11：判断Y^*是否满足S的约束条件，如满足则执行步骤6-13，否则执行步骤6-12；

步骤6-12：卡边约束处理；

步骤6-13：将Y^*传送给底层回路控制器；

步骤6-14：结束。

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